CN101132099A - 连续447nm蓝色激光的器件及其获得447nm蓝色激光的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种获得连续447nm蓝色激光的器件及其获得方法，该器件包括泵浦源、光纤耦合系统、透镜组耦合系统和直腔结构谐振腔，直腔结构谐振腔由平凹全反镜、掺钕激光晶体、第一块非线性晶体、平面耦合镜、第二块非线性晶体和输出耦合镜组成，泵浦源、光纤耦合系统、透镜组耦合系统、平凹全反镜、掺钕激光晶体、第一块非线性晶体、平面耦合镜、第二块非线性晶体和输出耦合镜位于同一轴上，掺钕激光晶体为掺钕铝酸钇激光晶体或掺钕钒酸钆激光晶体。本发明方法产生纯蓝色激光，设备简单、成本低，可作为激光彩色显示、激光海洋通讯、海洋资源探测的光源。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，特别涉及一种连续447nm蓝色激光的器件及其获得连续447nm蓝色激光的方法。
背景技术
全固体蓝色激光器因其性能稳定、小型化、高效率、长寿命等优点而逐渐受到激光显示、生物医学、食品药品检测、医疗美容、信息存储、海洋通讯与海洋资源探测、大气遥感等领域的重视，并不断实现其应用。纵观国内外蓝光波段激光器研究和发展，通过变频技术获得蓝光是众多蓝色获得方法中最普遍和最有效的技术。自上个世纪90年代中期美国相干公司提出利用红外半导体激光的倍频成功地获得了第一台输出10mW的430nm蓝色全固体激光器之后[TV Higgins.Visible solid-state lasers-BM and Coherent to groom blue laser for market placeunder license.Laser Focus World，April 1992，30]，又有人提出了半导体直接发射蓝光和上转换法获得蓝光的技术方案。1995年，有人使用激光二极管泵浦Cr3+:LiSrAlF6激光晶体，用KNbO3作为腔内倍频晶体获得了13mW的430nm蓝光输出[F.Falcoz，F.Balembois，et al.All solid state continuous wave tunable blue lightsource by intracavity doubling of a diode-pumped Cr：LiSAF laser.Optics Letters，1995，20(11)：1274-1276]，从而开始了全固体DPL蓝光激光器的研究热潮。目前获得蓝色激光所使用的技术主要有三光谱线法、准相位匹配法(QPM法)和光参量振荡法(OPO法)三种，这些方法在获得473nm和440nm蓝光方面取得了很好的效果。
国内外有关全固体蓝色激光器的研究主要集中在440nm和473nm两个波段，使用的激光晶体主要是Nd:YAG和Nd:YVO4晶体，是利用Nd3+离子的三谱线法外加变频技术获得蓝光输出的。国外于2002年已实现LD泵浦473nm蓝光Nd:YAG/LBO全固体激光器的1.2W连续输出，使用的是Nd离子的946nm的基频激光。此外，德国Kaiserslautern大学、美国新罕布尔州激光光学研究公司、澳大利亚Czeranowaky等国家均有473nm的激光产品，连续激光功率最高在2.8W[Czeranowaky C，Heumann E，Hber G.All-solid-state continuous-wavefrequency-doubled Nd:YAG-BiBO laser with 2.8W output power at 473nm.Optics Letters，2003，28(6)：432-434]，准连续蓝光平均功率最高7W。
我国无论是在蓝光不同波长激光器的研究还是产业化方面都比较落后，而最近几年发展较快，先后有中科院物理所、长春光机所、南京大学等单位进行了440nm、473nm蓝光激光器的研究报道。中科院物理所在实验室分别获得了1.8W的473nm以及3.97W的440nm蓝色激光输出[许祖彦，激光全色显示，2003年，上海：第十六届全国激光学术会议大会特邀报告]，长春光机所2004年获得了1.1W的473nm的高光束质量的基模激光[王军营，郑权，薛庆华等，1.1W连续输出473nm全固态蓝光激光器，中国激光，2004，31(5)：523-526]，南京大学主要使用准相位匹配法获得相关波长蓝光，但输出功率小，均是100mW以下。
由于447nm激光是感知海洋水色的最有力武器，是最合适的海底通讯窗口，因此可更好地用于探测海洋渔业资源、海底光通讯和海洋激光雷达。由于高亮度的蓝色447nm激光系统完全可以和发展相对成熟的红色LD 635nm、绿色532nm激光一起作为彩色显示的全固体标准三原色光源，其色度三角形面积和其他显示光源对比最大，色饱和度高。这种新型的低功耗、长寿命、高光束质量的激光光源，不仅效率高，而且更加忠实于自然光，能够消除白炽光源产生的黄影和荧光光源产生的绿影，实现三原色的平衡，比其它波长的蓝光如473nm、440nm等具有无可比拟的优势。从而满足人们对新一代超大屏幕、高清晰度、色彩鲜艳、屏幕形状可任意改变的显示器方面的要求。
目前，国外对447nm激光在连续、调Q、超短脉冲、高功率和高稳定性研究方面取得了很多成果，日本Sun-ins公司、德国Xiton Photonics GmbH公司、澳大利亚Macquarie大学、美国COLOR公司等国家均获得了调Q或连续447nm激光输出，使用的激光晶体是Nd:YVO4或Nd:GdVO4晶体经LBO三倍频输出447nm蓝光等，我国对于447nm纯蓝色激光的研究性报道还不多见。随着该波段激光的多个领域的应用成功和良好效果，目前而对于447nm波段的激光研究主要有中国科学院长春光机所、南京大学和山东师范大学，他们使用的都是准相位匹配(QPM)法。例如2003年何京良等人使用周期性极化的钽酸锂晶体(PPLT)和Nd:YVO4激光晶体获得了138mW的调Q纯蓝色447nm激光输出[He Jingliang，Chinese physics letter，2003，20(12)：2175-2177]，2005年马莹和彭显楚使用大功率的LD和周期性极化的钽酸锂晶体(PPLT)获得了调Q的128mW的447nm输出[中国激光，2005，32(2)：262-264]，南京大学使用上述同类方式获得了150mW的调Q输出。台湾国立交通大学固体激光物理实验室的Yung-Fu Chen也在进行447nm蓝光的研究，使用Nd:YVO4晶体目前获得了调Q的447nm蓝光280mW[Applied Physics B-Lasers and optics，2005，81(4)：517-520.]。从国内外研究现状来看，还没有关于使用Nd:YAP或Nd:GdVO4激光晶体加上一块BiBO和一块LBO晶体获得447nm连续激光器件方面的报道。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足之处，本发明的首要目的在于提供一种连续447nm蓝色激光的器件。
本发明的另一目的在于提供利用上述连续447nm蓝色激光的器件获得447nm蓝色激光的方法。该方法以Nd:YAP激光晶体或Nd:GdVO4激光晶体的1341.4nm波段激光通过非线性晶体BiBO腔内倍频、腔外和频，获得连续稳定的447nm纯蓝色激光。
本发明是利用BiBO非线性晶体将掺钕激光晶体的4F3/2-4I13/2跃迁产生的1341.4nm激光通过倍频、再和频技术(即1341.4nm波段激光的三倍频)获得高效率、高光束质量的纯蓝色447nm激光，可用作激光彩色显示和海洋资源探测、海底通讯的专用光源。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：一种连续447nm蓝色激光的器件，包括泵浦源、光纤耦合系统、透镜组耦合系统和直腔结构谐振腔，所述直腔结构谐振腔由平凹全反镜、掺钕激光晶体、第一块非线性晶体、平面耦合镜、第二块非线性晶体和输出耦合镜组成，所述泵浦源、光纤耦合系统、透镜组耦合系统、平凹全反镜、掺钕激光晶体、第一块非线性晶体、平面耦合镜、第二块非线性晶体和输出耦合镜位于同一轴上。
为了更好地实现本发明，所述的掺钕激光晶体为Nd:YAlO3(简称为Nd:YAP，掺钕铝酸钇)激光晶体或Nd:GdVO4(掺钕钒酸钆)激光晶体。
所述的第一块非线性晶体是BiBO(分子式BiB3O6，称为三硼酸铋)非线性晶体，第二块非线性晶体是LBO(称为偏硼酸钡)非线性晶体。
所述的泵浦源是激光二极管(LD)或其驱动源，泵浦方式是端面泵浦或侧面泵浦。
所述激光二极管采用808nm波长的激光二极管(LD)。
利用上述连续447nm蓝色激光的器件获得447nm蓝色激光的方法，包括如下步骤：开启泵浦源LD(半导体激光器)后，808nm激光经过光纤耦合系统、透镜组耦合系统和平凹全反镜后聚焦到掺钕激光晶体中，掺钕激光晶体中钕离子吸收泵浦光后，钕离子受激辐射产生的1341.4nm激光经过第一块BiBO非线性晶体倍频后形成670.7nm的红色激光；部分670.7nm红色激光和部分1341.4nm激光经平面耦合镜进入平面耦合镜、第二块非线性晶体、输出耦合镜构成的子腔中，经过第二块LBO非线性晶体后和频产生447nm的蓝色激光，经过输出耦合镜输出。
本发明原理是利用掺钕激光晶体中钕离子4F3/2-4I13/2跃迁产生的1341.4nm波段辐射的激光通过腔内倍频(SHG)获得红色激光，然后再由剩余的1341.4nm波段辐射的激光与红色激光在腔外和频(SFM或者说1341.4nm激光的三倍频)获得447nm蓝色激光。
当激光晶体经过LD的耦合系统(即光纤耦合系统和透镜组耦合系统)后受到端面泵浦，激光晶体内部的激活离子(Nd3+)粒子形成反转分布并达到增益阈值后即可形成1341.4nm激光振荡，在1341.4nm激光经过第一块非线性晶体后形成倍频的670.7nm激光，由于平面耦合镜对670.7nm和1341.4nm部分透过而对447nm全反射，则670.7nm和1341.4nm激光进入由由平面耦合镜、第二块非线性晶体、输出耦合镜构成的子腔中经过第二块非线性晶体后和频产生447nm的激光振荡。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：本发明连续447nm蓝色激光器件产生纯蓝色激光，采用直腔结构，设备简单、成本低、晶体易于购买、光路元件少易于调整，同时和现在其它方法获得的473nm和440nm蓝色激光比较更容易获得。而且447nm激光更接近人眼所感知的纯蓝色，作为激光彩色显示的固体光源，将会代替473nm和440nm蓝色激光而广泛应用于大屏幕高清晰度彩色电视、激光表演、激光投影仪等彩色显示领域。同时，447nm波长激光是海水的透明窗口，对于激光探测海洋资源、水下激光通讯等具有重要的现实意义。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，包括半导体激光器(泵浦源)1、光纤耦合系统2、透镜组耦合系统3和直腔结构谐振腔，直腔结构谐振腔由平凹全反镜4、工作物质掺钕激光晶体(Nd:YAP激光晶体)5、第一块非线性晶体(BiBO非线性晶体)6、平面耦合镜7、第二块非线性晶体(LBO非线性晶体)8和输出耦合镜9组成，半导体激光器1、光纤耦合系统2、透镜组耦合系统3、平凹全反镜4、Nd:YAP激光晶体5、BiBO非线性晶体6、平面耦合镜7、LBO非线性晶体8和输出耦合镜9位于同一轴上。平凹全反镜4是对808nm和1341.4nm全反射的。BiBO6非线性晶体和LBO非线性晶体8是按照不同变频要求加工的，平面耦合镜7是对部分1341.4nm和670.7nm激光透射并对447nm激光全反射的平面耦合镜，保证1341.4nm和670.7nm双波长激光进入到下一个子腔中。输出耦合镜9是分别对1341.4nm激光和670.7nm激光全反射而对447nm激光增透的输出耦合镜，这样1341.4nm和670.7nm激光在LBO非线性晶体8中和频，获得蓝色447nm激光。
本发明获得447nm蓝色激光的方法，包括如下步骤：开启泵浦源LD(半导体激光器)后，808nm激光经过光纤耦合系统2、透镜组耦合系统3和平凹全反镜4后聚焦到Nd:YAP晶体棒5中，Nd:YAP晶体棒中钕离子吸收泵浦光后，钕离子受激辐射产生的1341.4nm激光经过第一块BiBO非线性晶体6倍频后实现了670.7nm的激光振荡。其中，部分670.7nm红光和部分1341.4nm红外光经平面镜7进入下一个子腔(由平面耦合镜7、第二块非线性晶体8、输出耦合镜9构成的子腔)中，经过第二块LBO非线性晶体后和频产生447nm的蓝色激光，经过输出耦合镜9输出。
此外也可用LD侧面泵浦或斜泵技术来激励工作物质。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种连续447nm蓝色激光的器件，其特征在于：所述器件包括泵浦源、光纤耦合系统、透镜组耦合系统和直腔结构谐振腔，所述直腔结构谐振腔由平凹全反镜、掺钕激光晶体、第一块非线性晶体、平面耦合镜、第二块非线性晶体和输出耦合镜组成，所述泵浦源、光纤耦合系统、透镜组耦合系统、平凹全反镜、掺钕激光晶体、第一块非线性晶体、平面耦合镜、第二块非线性晶体和输出耦合镜位于同一轴上。
2.根据权利要求1所述的一种连续447nm蓝色激光的器件，其特征在于：所述掺钕激光晶体为掺钕铝酸钇激光晶体或掺钕钒酸钆激光晶体。
3.根据权利要求1所述的一种连续447nm蓝色激光的器件，其特征在于：所述的第一块非线性晶体是三硼酸铋非线性晶体，第二块非线性晶体是偏硼酸钡非线性晶体。
4.根据权利要求1所述的一种连续447nm蓝色激光的器件，其特征在于：所述的泵浦源是激光二极管或其驱动源，泵浦方式是端面泵浦或侧面泵浦。
5.根据权利要求4所述的一种连续447nm蓝色激光的器件，其特征在于：所述激光二极管采用808nm波长的激光二极管。
6.利用权利要求1所述的连续447nm蓝色激光的器件获得447nm蓝色激光的方法，其特征在于包括如下步骤：开启泵浦源后，808nm激光经过光纤耦合系统、透镜组耦合系统和平凹全反镜后聚焦到掺钕激光晶体中，掺钕激光晶体中钕离子吸收泵浦光后，钕离子受激辐射产生的1341.4nm激光经过第一块BiBO非线性晶体倍频后形成670.7nm红色激光；部分670.7nm红色激光和部分1341.4nm激光经平面耦合镜进入平面耦合镜、第二块非线性晶体、输出耦合镜构成的子腔中，经过第二块LBO非线性晶体后和频产生447nm的蓝色激光，经过输出耦合镜输出。
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